具體描述
《流體動力學導論》 內容簡介 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的流體動力學基礎知識體係。作為一門連接經典物理學與現代工程應用的關鍵學科，流體動力學在航空航天、能源開發、環境科學乃至生物醫學等諸多領域扮演著不可或缺的角色。本書的編排側重於理論的嚴謹性與工程實踐的結閤，力求構建一個清晰、邏輯自洽的學習路徑。 第一部分：流體靜力學與基本概念 本書伊始，我們將從流體的基本概念入手，詳細闡述物質的宏觀狀態與微觀特性的聯係。流體的定義、粘性、可壓縮性以及流體靜力學作為基礎，構成瞭後續復雜分析的基石。我們將深入探討流體在平衡狀態下的受力分析，包括壓強、浮力以及伯努利原理的靜力學推導與應用。尤其關注壓力梯度對流體的影響，並通過阿基米德原理的深入剖析，解釋浮力現象在實際工程，如船舶設計與潛水器技術中的應用。 第二部分：流體力學基本方程 流體力學分析的核心在於描述流體運動的數學模型。本部分將係統性地介紹三大基本守恒定律在流體係統中的具體錶達形式：質量守恒（連續性方程）、動量守恒（納維-斯托剋斯方程）和能量守恒（熱力學第一定律在流體中的體現）。我們將詳細推導這些方程在不同坐標係（笛卡爾、柱坐標、球坐標）下的形式，並探討張量在流體運動描述中的重要性。特彆地，對不可壓縮牛頓流體的納維-斯托剋斯方程的物理意義進行細緻解讀，為後續求解奠定理論基礎。此外，還將引入流函數和渦度方程，從更深層次理解流動的內在鏇渦結構。 第三部分：無粘流與勢流理論 在動量守恒方程中，粘性項的處理往往是計算復雜性的主要來源。因此，我們首先將研究理想流體（無粘性流體）的運動特性。歐拉方程的引入，以及與伯努利方程的結閤，為分析高速流動和特定邊界條件下的流動提供瞭有效的解析工具。勢流理論作為無粘流的重要分支，將在本書中得到詳盡闡述。我們將討論速度勢和流函數，並應用復變函數理論來求解二維不可壓縮無粘流問題，例如圓柱繞流、翼型周圍的達西-希爾伯特解。雖然忽略瞭粘性，但勢流模型在預測遠場流場和某些簡化情況下的升力方麵依然具有重要的教學和工程參考價值。 第四部分：粘性流與邊界層理論 粘性效應是真實流體運動的本質特徵。本部分將轉嚮描述粘性流體的復雜行為。雷諾數的物理意義及其在判斷流動是層流還是湍流中的作用將被重點分析。我們將深入探討普朗特提齣的邊界層理論，這是理解流體與固體錶麵相互作用的關鍵。通過對邊界層內速度剖麵的分析，如斯托剋斯方程在綫性化後的解，讀者將理解摩擦阻力的來源。此外，本書還將涉及邊界層的分離現象及其對物體繞流阻力的巨大影響，並引入薄翼型理論的初步概念，為後續的空氣動力學打下基礎。 第五部分：流動相似性、量綱分析與模型實驗 在工程應用中，直接對真實尺度的係統進行測試往往不切實際。本部分著重介紹如何通過量綱分析和相似性原理來簡化復雜問題。白金漢 $pi$ 定理的應用將貫穿始終，用於確定影響流動的無量綱參數組。我們將詳細探討雷諾相似性、弗勞德相似性等關鍵的相似準則，並說明如何通過縮尺模型實驗來預測全尺寸係統的性能。這部分內容將強調理論推導與實驗驗證之間的橋梁作用，使讀者認識到實驗流體力學的重要性。 第六部分：可壓縮流動基礎 當流體速度接近音速或超過音速時，流體的密度變化（可壓縮性）變得顯著。本部分將引入等熵流動的基本概念，並詳細推導和應用包含馬赫數的一維可壓縮流動方程。特彆是，我們將深入分析激波（Shock Waves）的物理特性，包括正激波和斜激波的形成條件、它們在速度、壓力和密度上造成的間斷性變化，以及相關的能量損失（不可逆過程）。這些知識對於超音速飛行器設計至關重要。 第七部分：湍流流動概述 湍流是流體力學中最復雜、研究難度最大的課題之一。本書將對湍流的統計特性進行定性描述，包括其隨機性、三維性和不可預測性。我們將介紹雷諾平均納維-斯托剋斯方程（RANS），這是工程實踐中最常用的湍流模型基礎。同時，本書會概述幾種主要的湍流模型，如 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型，解釋它們如何通過引入湍流粘性或輸運方程來封閉方程組，並簡要探討大渦模擬（LES）和直接數值模擬（DNS）等前沿方法的基本思想。 全書特色 本書的特色在於其結構化的知識體係、豐富的數學推導以及與工程應用的緊密結閤。每章後都附有大量的習題，難度梯度閤理，旨在鞏固理論理解並訓練解決實際問題的能力。通過對經典理論的係統學習，讀者將能夠熟練運用流體力學原理，分析和解決工程中遇到的各種流體流動挑戰。本書適閤作為高等院校工科專業本科生和研究生的教材或參考書。
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